ESPROS/TOF

ESPROS/TOF ist eine optische 3D-Kamera, die mit dem optischen TOF-Prinzip (Time-of-Flight oder Laufzeitmessung) die Szene erfasst und sie anschließend dreidimensional für die Weiterverarbeitung zur Verfügung stellt.

Geschichte

ESPROS/TOF ist das Produkt einer über zehnjährigen Forschungszusammenarbeit zwischen dem privaten Forschungs- und Entwicklungszentrum CSEM (Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique‎) und dem Optosensorikhersteller CEDES. Auslöser war ein Forschungsauftrag der Schweizer Eidgenossenschaft ein künstliches Auge für medizinische Zwecke zu schaffen. Die beiden an der Entwicklung des ESPROS/TOF beteiligten Unternehmen haben im Oktober 2003 mit dem „ICT-Prize“ den weltweit bedeutendsten Preis für bahnbrechende Errungenschaften in der Informationstechnologie erhalten.

Funktionsprinzip

Im Gegensatz zu anderen heute bekannten 3D-Kameratechnologien benötigt ESPROS/TOF für die räumliche Erfassung nur ein Objektiv. Ermöglicht wird dies durch das TOF-Prinzip (Time-of-Flight), bei dem mit Laufzeitmessung flächig die Distanz zwischen der Kamera und den Objekten in der aufgenommenen Szene gemessen wird. Das Prinzip ist vergleichbar mit dem Sonarsystem von Fledermäusen oder Delfinen, die sich damit in ihrer Umgebung orientieren und ihre Nahrung finden. Der Unterschied ist, dass anstelle von akustischen Signalen optische Signale der Messung zugrunde liegen.

Durch einen Lichtpuls werden Photonen auf die Szene gestrahlt. Ein Teil dieser winzigen Lichtteilchen wird von den in der Szene befindlichen Objekten zur Kamera zurück reflektiert. Der in der Kamera integrierte CMOS/CCD-Bildsensor dient dabei als Stoppuhr und misst für jedes Pixel des Sensors die Flugzeit der Photonen von der Kamera zum Objekt und zurück. Da die Lichtgeschwindigkeit eine bekannte Größe ist, kann ein nachgeschalteter Rechner aus der Lichtlaufzeit die Distanz zu den einzelnen Punkten in der Szene berechnen. Das Resultat ist eine dreidimensionale Abbildung der aufgenommenen Szene.

Technologie

ESPROS/TOF arbeitet mit dem für das menschliche Auge unsichtbaren Infrarotlicht. Die hohe Geschwindigkeit des Lichtes stellt besondere Anforderungen an die Technik. Um brauchbare Bilder zu erhalten, benötigt der Bildsensor eine Erfassungsgeschwindigkeit von mindestens 50 Picosekunden (1 Picosekunde = ein Tausendstel einer milliardstel Sekunde oder 0,000'000'000’001 Sekunden).

ESPROS/TOF arbeitet mit sogenannten „Lock-in-Pixeln“, welche die Lichtlaufzeit auf genauer als 100 Picosekunden (ein Zehntel einer Milliardstelsekunde) messen. Das heißt, dass jedes dieser Pixel die Distanz zentimetergenau bestimmen kann, auch bei Entfernungen von einigen Metern. Aufgebaut als Halbleiterchip verfügt ESPROS/TOF über mehrere Zehntausend solcher „Lock-in-Pixel“. Dadurch werden qualitativ hochwertige 3D-Bilder ermöglicht. Da die Bilderfassung äußerst rasch ist, können 3D-Aufnahmen in Videogeschwindigkeit erzeugt werden.

Aufbau

Das Herzstück der Kamera ist der spezielle CMOS/CCD-Bildsensor. Der intelligente Bildsensor, die Beleuchtungs- und die Steuerungseinheit sowie der Rechner für die Bildverarbeitung sind in einem kompakten Gehäuse untergebracht.

Da handelsübliche Komponenten zum Einsatz kommen und für den Betrieb keine beweglichen Teile nötig sind, kostet die ESPROS/TOF nur unwesentlich mehr als eine normale 2D-Kamera. ESPROS/TOF ist damit oft günstiger als andere 3D-Aufnahmesysteme. Dadurch lässt sich der Ersatz bestehender 2D-Systeme bei gleichzeitiger Erhöhung der Effizienz und Auswertemöglichkeiten, wie es 3D-Systeme ermöglichen, wirtschaftlich realisieren.

Anwendungen

Mit ESPROS/TOF können neue Anwendungen, für die es bisher aufgrund fehlender oder unzureichender Technologien keine Lösungen gab, verwirklicht werden, beispielsweise im Automobilbereich oder in der Robotik. Daneben kann ESPROS/TOF überall dort eingesetzt werden, wo bereits heute Sensoren und Kameras für die Überwachung und Absicherung von automatischen Abläufen im Einsatz sind. Dabei werden zusätzliche Daten geliefert, die eine effizientere Auswertung und somit gezieltere Maßnahmen bzw. Reaktionen ermöglichen. ESPROS/TOF kann auch Aufgaben übernehmen, für die bisher mehrere Sensoren nötig waren, mit entsprechend positiven Auswirkungen auf den Installationsaufwand, die Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit.

Anwendungsbeispiele

Automatische Türen

ESPROS/TOF erkennt, ob jemand auf die Tür zu geht oder nur an ihr vorbei geht. Bedürfnisgerecht öffnet sich die Tür – oder eben nicht.

Aufzüge

ESPROS/TOF erfasst die Anzahl Personen, die pro Stockwerk auf den Aufzug warten. Dadurch kann die Aufzugssteuerung die Prioritäten bezüglich der Stopps der Aufzugskabine setzen und somit die Wartezeiten reduzieren und die Effizienz des Aufzuges steigern.

Automobil

ESPROS/TOF erkennt dynamisch die Kopf- und Sitzposition der Fahrzeug-Insassen. Bei einem Aufprall kann der Airbag der Position des Insassen entsprechend ausgelöst und die Gefährdung bzw. Verletzungsgefahr minimiert werden.

Unterhaltungselektronik

3D-Filme für Kino und Fernsehen. Interaktive elektronische Spiele, usw.

Weblinks

• http://www.cedes.com CEDES AG
• http://www.mesa-imaging.ch Swissranger 3D TOF Kamera
• http://www.iee.lu IEE S.A.: Sensorhersteller mit TOF-Kamera im Angebot